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Synthese von hochreinem Siliziumkarbidpulver

2024-12-13

Wie erlangt SiC seine Bedeutung im Halbleiterbereich? 


Dies liegt vor allem an seinen außergewöhnlich großen Bandlückeneigenschaften im Bereich von 2,3 bis 3,3 eV, die es zu einem idealen Material für die Herstellung elektronischer Hochfrequenz- und Hochleistungsgeräte machen. Diese Funktion kann mit dem Bau einer breiten Autobahn für elektronische Signale verglichen werden, die einen reibungslosen Durchgang für Hochfrequenzsignale gewährleistet und eine solide Grundlage für eine effizientere und schnellere Datenverarbeitung und -übertragung schafft.


Seine große Bandlücke, die zwischen 2,3 und 3,3 eV liegt, ist ein Schlüsselfaktor und macht es ideal für elektronische Hochfrequenz- und Hochleistungsgeräte. Es ist, als wäre eine riesige Autobahn für elektronische Signale gepflastert worden, die ihnen eine ungehinderte Übertragung ermöglicht und so eine solide Grundlage für eine verbesserte Effizienz und Geschwindigkeit bei der Datenverarbeitung und -übertragung schafft.


Seine hohe Wärmeleitfähigkeit kann 3,6 bis 4,8 W·cm⁻¹·K⁻¹ erreichen. Dies bedeutet, dass es Wärme schnell ableiten kann und als effizienter Kühlmotor für elektronische Geräte fungiert. Daher eignet sich SiC hervorragend für anspruchsvolle elektronische Geräteanwendungen, die Strahlungs- und Korrosionsbeständigkeit erfordern. Ob bei der Herausforderung der kosmischen Strahlung bei der Weltraumforschung oder beim Umgang mit korrosiver Erosion in rauen Industrieumgebungen: SiC kann stabil arbeiten und standhaft bleiben.


Seine hohe Trägersättigungsmobilität reicht von 1,9 bis 2,6 × 10⁷ cm·s⁻¹. Diese Funktion erweitert ihr Anwendungspotenzial im Halbleiterbereich weiter und steigert effektiv die Leistung elektronischer Geräte, indem sie die schnelle und effiziente Bewegung von Elektronen innerhalb der Geräte gewährleistet, und bietet so eine starke Unterstützung für die Erzielung leistungsfähigerer Funktionalitäten.



Wie hat sich die Geschichte der Entwicklung von SiC-Kristallmaterialien (Siliziumkarbid) entwickelt? 


Ein Rückblick auf die Entwicklung von SiC-Kristallmaterialien ist wie das Umblättern eines Buches über wissenschaftlichen und technischen Fortschritt. Bereits 1892 erfand Acheson eine Methode zur SyntheseSiC-Pulveraus Siliziumdioxid und Kohlenstoff und leitete damit die Untersuchung von SiC-Materialien ein. Allerdings waren die Reinheit und Größe der damals gewonnenen SiC-Materialien begrenzt, ähnlich wie ein Säugling in Windeln, obwohl er über unendliches Potenzial verfügte, immer noch kontinuierlicher Weiterentwicklung und Verfeinerung bedarf.


Es war im Jahr 1955, als Lely mithilfe der Sublimationstechnologie erfolgreich relativ reine SiC-Kristalle züchtete, was einen wichtigen Meilenstein in der Geschichte von SiC markierte. Allerdings waren die mit dieser Methode erhaltenen plattenförmigen SiC-Materialien klein und wiesen große Leistungsschwankungen auf, ähnlich wie bei einer Gruppe ungleicher Soldaten, sodass es schwierig war, in High-End-Anwendungsfeldern eine starke Kampftruppe aufzustellen.


Es war zwischen 1978 und 1981, als Tairov und Tsvetkov auf Lelys Methode aufbauten, indem sie Impfkristalle einführten und sorgfältig Temperaturgradienten entwarfen, um den Materialtransport zu kontrollieren. Dieser innovative Schritt, der heute als verbesserte Lely-Methode oder keimunterstützte Sublimationsmethode (PVT) bekannt ist, brachte einen neuen Aufbruch in das Wachstum von SiC-Kristallen, verbesserte die Qualitäts- und Größenkontrolle von SiC-Kristallen erheblich und legte eine solide Grundlage dafür weit verbreitete Anwendung von SiC in verschiedenen Bereichen.


Was sind die Kernelemente beim Wachstum von SiC-Einkristallen? 


Die Qualität des SiC-Pulvers spielt eine entscheidende Rolle im Wachstumsprozess von SiC-Einkristallen. Bei der Verwendungβ-SiC-PulverBeim Züchten von SiC-Einkristallen kann es zu einem Phasenübergang zu α-SiC kommen. Dieser Übergang beeinflusst das Si/C-Molverhältnis in der Dampfphase, ähnlich einem heiklen chemischen Balanceakt; Sobald es gestört ist, kann das Kristallwachstum negativ beeinflusst werden, ähnlich wie die Instabilität eines Fundaments dazu führt, dass ein ganzes Gebäude kippt.


Sie stammen hauptsächlich aus dem SiC-Pulver, wobei zwischen ihnen eine enge lineare Beziehung besteht. Mit anderen Worten: Je höher die Reinheit des Pulvers, desto besser ist die Qualität des Einkristalls. Daher wird die Herstellung von hochreinem SiC-Pulver zum Schlüssel für die Synthese hochwertiger SiC-Einkristalle. Dies erfordert eine strenge Kontrolle des Verunreinigungsgehalts während des Pulversyntheseprozesses und stellt sicher, dass jedes „Rohstoffmolekül“ hohe Standards erfüllt, um die beste Grundlage für das Kristallwachstum zu bieten.


Welche Methoden zur Synthese gibt es?hochreines SiC-Pulver


Derzeit gibt es drei Hauptansätze zur Synthese von hochreinem SiC-Pulver: Dampfphasen-, Flüssigphasen- und Festphasenverfahren.


Es steuert geschickt den Verunreinigungsgehalt in der Gasquelle, einschließlich CVD (Chemical Vapour Deposition) und Plasmaverfahren. CVD nutzt die „Magie“ von Hochtemperaturreaktionen, um ultrafeines, hochreines SiC-Pulver zu erhalten. Unter Verwendung von (CH₃)₂SiCl₂ als Rohmaterial wird beispielsweise hochreines, sauerstoffarmes Nano-Siliziumkarbidpulver erfolgreich in einem „Ofen“ bei Temperaturen zwischen 1100 und 1400℃ hergestellt, ähnlich wie bei der sorgfältigen Modellierung exquisiter Kunstwerke die mikroskopische Welt. Plasmaverfahren hingegen nutzen die Kraft hochenergetischer Elektronenkollisionen, um eine hochreine Synthese von SiC-Pulver zu erreichen. Mittels Mikrowellenplasma wird Tetramethylsilan (TMS) als Reaktionsgas eingesetzt, um unter dem „Einschlag“ hochenergetischer Elektronen hochreines SiC-Pulver zu synthetisieren. Obwohl mit der Dampfphasenmethode eine hohe Reinheit erreicht werden kann, ähneln die hohen Kosten und die langsame Syntheserate einem hochqualifizierten Handwerker, der viel auflädt und langsam arbeitet, was es schwierig macht, den Anforderungen einer Massenproduktion gerecht zu werden.


Die Sol-Gel-Methode zeichnet sich durch die Flüssigphasenmethode aus, die eine hochreine Synthese ermöglichtSiC-Pulver. Unter Verwendung von industriellem Siliziumsol und wasserlöslichem Phenolharz als Rohstoffen wird eine carbothermische Reduktionsreaktion bei hohen Temperaturen durchgeführt, um letztendlich SiC-Pulver zu erhalten. Allerdings ist die Flüssigphasenmethode auch mit den Problemen hoher Kosten und einem komplexen Syntheseprozess konfrontiert, ähnlich einem Weg voller Dornen, der zwar das Ziel erreichen kann, aber voller Herausforderungen ist.


Mit diesen Methoden streben Forscher weiterhin danach, die Reinheit und Ausbeute von SiC-Pulver zu verbessern und die Wachstumstechnologie von Siliziumkarbid-Einkristallen auf ein höheres Niveau zu bringen.






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